Magnetic resonance microscopy in neuroscience: examination of nervous tissue microstructure and neuronal activity in a rodent hippocampal slice model

Abstract: Magnetresonanz-Mikroskopie hat in diversen Forschungsbereichen wie Biomedizin, Genetik und Pharmakologie an großer Bedeutung gewonnen. Diese nichtinvasive Methode erlaubt die Untersuchung von Details mit Bildauflösungen bis herunter zu einigen Mikrometern. Im Rahmen der Dissertation wurden schwerpunktmäßig hippokampale Gewebeschnitte mittels MR-Mikroskopie untersucht. Dieses Modell kombiniert die Vorteile eines kontrollierbaren in vitro Systems ohne Blutversorgung mit der Komplexität und den typischen Verknüpfungen des Hippokampus.
Zuerst wurde anhand von fixiertem Nervengewebe des Maushirns untersucht, ob sich derartige Mikrostrukturen mittels der gewählten Methode darstellen lassen. Hierzu wurden MR-Sequenzen für ein hohes Magnetfeld von 7 Tesla angepasst, um Signal und räumliche Auflösung zu maximieren. Es wurde gezeigt, dass die Korrelation von spezifischen histologischen Details, wie die neuronaler Schichten und dendritischer sowie axonaler Pfade von Granular- und Pyramidalzellen, durch diese MR-Methode möglich ist. Häufig sind neurologische Störungen mit strukturellen Veränderungen im Gewebe verbunden, wie dies zum Beispiel schon bei Epilepsie bekannt ist. Typisch hierfür sind immer wieder spontan auftretende Krampfanfälle, die durch pathologisch hyperaktive neuronale Netzwerke hervorgerufen werden. Bis heute ist allerdings noch unklar, welche Faktoren und Prozesse die Krankheitsbildung herbeiführen oder beeinflussen. Die hier gezeigten Forschungsergebnisse von chronisch epileptischen Tieren zeigen hippokampale Sklerose und eine Reorganisation der neuronalen Vernetzung. Diese für Temporallappenepilepsie signifikanten Merkmale konnten mittels entsprechenden histologischen Methoden erfolgreich validiert werden.
Nebst der strukturellen Gewebeuntersuchung mittels Diffusionskontrast, wurde ebenso die Möglichkeit überprüft, dynamische Veränderungen, also neuronale Aktivität, zu untersuchen. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) basierend auf der Abhängigkeit von Sauerstoffgehalt im Blut, auch als BOLD-Effekt bekannt, ist eine viel verwendete Methode im Bereich der Neurowissenschaften um Hirnfunktionen zu erforschen. Als Alternative hierzu wurde eine direktere, vom Blutfluss unabhängige Methode, die Diffusions-fMRT, vorgeschlagen. Hier soll sich neuronale Aktivität direkt in einer Änderung des Diffusionskoeffizienten (ADC) von Wasser wiederspiegeln. Der Ursprung dieses Effekts ist jedoch bisher nicht geklärt. Um dieses Phänomen näher zu beleuchten, wurden Experimente an definierten neuronalen Netzwerken, nämlich an organotypischen hippokampalen Schnittkulturen, durchgeführt. Mit Hilfe einer maßgefertigten MR-kompatiblen Inkubationsplattform wurden diffusions-gewichtete Zeitserien von lebenden neuronalen Netzwerken mit einer Auflösung von circa 20-40 Sekunden aufgenommen. Somit konnte spontane und stimulierte neuronale Aktivität in verschiedenen hippokampalen Regionen über eine längere Zeitspanne beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen eine klare Korrespondenz zu den elektrophysiologischen Erkenntnissen. Änderungen im Diffusionskoeffizienten ADC sind stark abhängig vom extrazellulären Volumen, was wahrscheinlich durch Anschwellen der Nervenzellen verursacht wird
Abstract: Magnetic resonance microscopy has become increasingly important in biomedical, genetic and pharmacologic research. Pushing the resolutions towards the micro-scale allows the non-invasive examination of features that could otherwise only be seen by standard histology. In this dissertation, the focus was set on MR microscopy of hippocampal slices, a model that combines the advantages of an in vitro system free of hemodynamic artefacts with the complexity and typical connectivity of hippocampal physiology.
First, the ability of this method resolving tissue microstructure was investigated. Fixed neuronal mouse brain tissue was examined using optimized MR sequences at a high magnetic field of 7 T in order to maximize MR signals and spatial resolutions in the micro-range. It was shown that “virtual MR staining” allowed the correlation of specific histological details such as layers of principal neurons, dendritic and axonal pathways of granule and pyramidal cells. Neurological disorders often lead to distinguished modifications in the tissue as for example known in epilepsy. Here, the occurrence of spontaneous recurrent seizures elicited by pathologically hyperactive neuronal networks is typical. Up to now, it is not yet fully understood, which processes and factors induce or even influence the process its disease formation. The MR findings presented here were acquired from chronically epileptic animals and successfully reveal hippocampal sclerosis and reorganization in the connectivity pattern. These typical hallmarks of mesial temporal lobe epilepsy could be concurrently shown in the corresponding immunohistochemical analysis.
Beside the detection of morphological changes in microstructure using diffusion-weighted contrast, dynamical changes, meaning neuronal activity, were observed. Functional MRI (fMRI) based on hemodynamic coupling (known as BOLD effect) has become a common tool in the neuroscientific field to study brain function. As an alternative, diffusion fMRI (DfMRI), supposed to directly monitor neuronal activity through associated changes in the apparent diffusivity of water in tissue, was suggested. However, the origin of the diffusion response is still poorly understood. To elucidate this phenomenon, DfMRI experiments on defined neuronal networks, namely organotypic hippocampal slice cultures (OHSC), were performed. Using a custom MR-compatible incubation platform allowed the acquisition of diffusion-weighted time series of a living neuronal network with temporal resolutions in the order of 20 – 40 s. Neuronal activity under control and stimulation conditions could be monitored longitudinally within various hippocampal substructures. It could be shown that the results obtained with DfMRI clearly correlate to well-known electrophysiological features. The origin of neuronal activity dependent changes in the apparent diffusion coefficient (ADC) is consistent with a size change in the extracellular space that is probably elicited by cell swelling

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2019

Classification and Topics

• Keyword: Magnetic resonance microscopy ; Microstructure ; Nerve tissue ; Neurosciences

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2019
• Creator: Göbel-Guéniot, Katharina
• Contributor: Korvink, Jan G. ; Hennig, Jürgen ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/150160
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1501607
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:49 PM CET